BADANIE STATECZNOCI MOSTÓW NOYCOWYCH

Transkrypt

1 Szybkobiene Pojazdy Gsienicowe (36) nr (36) 1, rok nr 1, Zbigniew KAMYK Wacław MALEJ Cezary LIWISKI Marcin DUSZAK Janusz LIWISKI BADANIE STATECZNOCI MOSTÓW NOYCOWYCH Streszczenie. W artykule przedstawiono podział funkcjonalny mostów wojskowych ze wzgldu na ich wykorzystanie w rónych fazach działa bojowych. Przeanalizowano fazy procesu ustawiania przsła na przeszkodzie pod ktem zachowania statecznoci wzdłunej i poprzecznej. Opisano sposób wyznaczenia zapasu statecznoci wzdłunej oraz wartoci dodatkowego momentu wywracajcego przsła mostu MG-20 wynikajcego z bezwładnoci układów podczas awaryjnego zatrzymania przsła w trakcie jego rozkładania. Opisano równie sposób sprawdzenia statecznoci poprzecznej i wzdłunej mostu MS-20 przy oddziaływaniu wiatru na przsło w połoeniu pionowym. Analizy wykazały właciw stateczno przseł MS-20 i MG WSTP Słowa kluczowe: most noycowy, stateczno podłuna, stateczno poprzeczna, zapas statecznoci. Mobilno wojsk jest jednym z najwaniejszych czynników zapewniajcych powodzenie współczesnych operacji wojskowych na kadym szczeblu. Jednym z zasadniczych zada wojsk inynieryjnych, w ramach wsparcia inynieryjnego, jest zapewnienie swobody ruchu wojsk (mobilnoci), w moliwie krótkim czasie oraz w kadych warunkach terenowych i klimatycznych. Sprowadza si to midzy innymi do zapewnienia wojskom moliwoci pokonywania przeszkód terenowych (kanałów, rzek i rowów przeciwczołgowych) za pomoc sprztu mostowego. W ostatnich latach wiele pastw rozpoczło prace rozwojowe, przygotowujce wymian sprztu mostowego. Poszukiwania dotycz nowych rozwiza technologicznych i materiałowych [1], [2], zapewniajcych spełnienie wymaga współczesnego pola walki [3]. W kraju brak było mostu spełniajcego współczesne wymagania, dlatego podjte zostały prace rozwojowe nad nowymi mostami taktycznymi MG-20 [4] i wsparcia MS-20 [5] i MS-40. Nowe systemy mostowe powinny uwzgldnia zalety starych konstrukcji [6] oraz wykorzystywa dowiadczenia uzyskane w trakcie ich bada i eksploatacji, zapewniajc jednak postp w zakresie nonoci, funkcjonalnoci i ywotnoci nowych rozwiza. 2. PODZIAŁ MOSTÓW WOJSKOWYCH Mosty wojskowe (rys. 1), w zalenoci od przeznaczenia oraz miejsca w ugrupowaniu bojowym, zgodnie z Norm Obronn NO-01-A001:2011 [7], mona podzieli na: a) mosty taktyczne szturmowe na podwoziach gsienicowych (Assault Bridges); b) mosty wsparcia towarzyszce na podwoziach kołowych (Support Bridges); c) mosty na liniach komunikacyjnych składane (Line of Communication Bridges). Szczególnie wan rol na współczesnym polu walki odgrywaj mosty taktyczne szturmowe (tzw. mosty pola walki) [3]. Słu one do bezporedniego wsparcia walczcych dr in. Zbigniew KAMYK, mgr in. Wacław MALEJ, mgr in. Cezary LIWISKI, mgr in. Janusz LIWISKI Wojskowy Instytut Techniki Inynieryjnej, Wrocław mgr in. Marcin DUSZAK Orodek Badawczo-Rozwojowy Urzdze Mechanicznych OBRUM sp. z o.o., Gliwice

2 130 Zbigniew KAMYK, Wacław MALEJ, Cezary LIWISKI, Marcin DUSZAK, Janusz LIWISKI pododdziałów pierwszorzutowych w strefie bezporedniej stycznoci ogniowej z przeciwnikiem. Rys. 1. Rodzaje mostów wykorzystywanych w rónych fazach działa bojowych Ze wzgldu na oddziaływanie ognia przeciwnika (bezporedni i poredni ostrzał) czas ustawiania przseł tych mostów na przeszkodzie powinien by moliwie jak najkrótszy. Bezporedni wpływ na czas i bezpieczestwo ustawiania przsła na przeszkodzie, po zatrzymaniu si pojazdu bazowego, ma szybko jego rozkładania. Wie si to z wystpowaniem duych obcie dynamicznych w czasie rozkładania i podejmowania przsła wynikajcych z jego masy oraz innych obcie zewntrznych, wynikajcych np. z uwarunkowa atmosferycznych (podmuchów wiatru, dodatkowego obcienia błotem itp.). Dlatego na etapie projektowania, obok analiz wytrzymałociowych, kładzie si duy nacisk na prowadzenie kompleksowych analiz zagadnie zwizanych z zapasem statecznoci poprzecznej i podłunej mostów taktycznych i wsparcia. Dotyczy to wszystkich faz pracy mostu. Na potrzeby realizacji tego zagadnienia konieczna jest wiedza z zakresu zasad działania mechanizmów mostów i znajomo zjawisk towarzyszcych układaniu przseł mostowych. Szczególnie wane jest posiadanie informacji dotyczcych wpływu bezwładnoci układów hydraulicznych lub ich awarii na stateczno mostu, moliwoci wzrostu momentu wywracajcego na skutek błdnej obsługi mostu przez operatora itp. Na etapie projektowania konieczne jest uwzgldnienie wszystkich czynników majcych niekorzystny wpływ na stateczno mostu, a nastpnie na etapie bada zweryfikowanie poprawnoci przyjtych rozwiza konstrukcyjnych. Pozwala to na uzyskanie krótkiego czasu budowy mostu (wymogi taktyczne) oraz bezpiecznych warunków pracy obsługi mostu (wymogi eksploatacyjne). Właciwe poznanie moliwoci sprztu pozwala na zastosowanie zautomatyzowanych systemów sterujcych procesami układania i podejmowania przsła, w celu uzyskania maksymalnej wydajnoci sprztu, przy zachowaniu odpowiednich warunków bezpieczestwa obsługi. Systemy te na poszczególnych etapach budowy mostu mog w sposób automatyczny dokonywa regulacji wydajnoci układu hydraulicznego, co przekłada si bdzie na prdko układania i podejmowania przsła, oraz mog sygnalizowa obsłudze ewentualne odchylenie podwozia bazowego od pionu lub dokona automatycznego zatrzymania procesu układania. 3. STATECZNO MOSTÓW NOYCOWYCH Mosty układane na przeszkodzie w sposób noycowy s konstrukcjami wymagajcymi wikszego zapasu statecznoci, w stosunku do mostów wysuwanych wzdłunie, Wynika to ze zmiany wysokoci połoenia rodka cikoci przsła w trakcie układania, co powoduje zwikszenie wpływu zjawisk atmosferycznych na stabilno procesu układania. Podczas procesu układania i podejmowania mostów noycowych, konieczne jest

3 Badanie statecznoci mostów noycowych 131 przechodzenie przsła przez róne fazy połoenia, jak przedstawiono to na rysunku 2. W trakcie gdy przsło jest usytuowane pionowo wzgldem podwozia, istnieje najwiksze zagroenie utraty statecznoci mostu na skutek oddziaływania naporu wiatru na du powierzchni czołow i boczn przsła. Dodatkowo w ostatnim etapie układania przsła na przeszkodzie, wystpuje konieczno spowolnienia jego ruchu, w celu uniknicia uderzenia przsłem o ziemi. Wystpuje wówczas dodatkowy moment wywracajcy spowodowany bezwładnoci przsła. W artykule przedstawiono wyniki bada i analiz prowadzonych podczas prac rozwojowych nad opracowaniem mostów - gsienicowego MG-20 [4], [8] oraz samochodowego MS-20 [5], [9], wyposaonych w przsła rozkładane noycowo o masie 15 ton. a) b) c) Rys. 2. Fazy układania przsła mostu MG-20 na przeszkodzie [4] 3.1. Wyznaczenie zapasu stateczno ci wzdłunej mostu MG-20 podczas rozkładania przsła Analiz zapasu statecznoci wzdłunej mostu MG-20 przeprowadzono dla najbardziej niekorzystnego przypadku wystpujcego w trakcie układania przsła. Dotyczy to przsła znajdujcego si bezporednio nad ziemi kt rozwarcia przsła równy 180 o (rys. 2.c). Tablica 1. Wartoci momentów stabilizujcych i wywracajcych od elementów mostu oraz wyznaczony zapas statecznoci wzdłunej dla połoenia rys. 2.c. Element mostu Odległo rodka cikoci od punktu Masa elementu, t Moment, Tm wywrotu, m Podwozie bazowe 6,48 31,50 204,12 Przsło -12,35 15,0-185,25 Siodło 9,03 1,50 13,55 Rami główne 0,85 1,40 1,19 Rami chwytne -1,78 1,40-2,49 Podpora 0,00 0,40 0,00 2 siłowniki układacza 4,13 1,20 4,96 2 siłowniki układacza -0,45 1,20-0,54 Moment stabilizujcy 223,82

4 132 Zbigniew KAMYK, Wacław MALEJ, Cezary LIWISKI, Marcin DUSZAK, Janusz LIWISKI Moment wywracajcy -188,28 Zapas statecznoci 15,87 % W tablicy 1 zamieszczono wartoci momentów stabilizujcych i wywracajcych od poszczególnych elementów konstrukcyjnych mostu oraz wyznaczony zapas statecznoci wzdłunej mostu. Załoenia Taktyczno-Techniczne na most towarzyszcy na podwoziu gsienicowym [10], okrelaj minimalny zapas statecznoci wzdłunej na poziomie nie mniejszym ni 15%. Analiza zamieszczonych w tablicy wyników pozwala na stwierdzenie, i zapas statecznoci wzdłunej, na poziomie 15,87%, podczas procesu układania przsła na przeszkodzie jest wystarczajcy Sprawdzenie stateczno ci poprzecznej i wzdłunej mostu MS-20, podczas rozkładania przsła, przy oddziaływaniu wiatru o prdko ci 30 m/s Sprawdzenie odpornoci mostu na działanie wiatru wykonano metod zastpcz, wg normy PN-ISO 4302:1998 [11], poprzez wyznaczenie siły granicznej, wynikajcej z naporu wiatru. Sprawdzenia dokonano dla przypadku przemieszczania przsła w najbardziej niekorzystnym połoeniu, przy prdkoci wiatru 30 m/s. Najbardziej niekorzystny przypadek obcienia wystpuje przy pionowym ustawieniu przsła i dla takiego te połoenia przsła przeprowadzono próby jego statecznoci (rys. 3, rys. 4). Dla potrzeb przeprowadzenia bada obliczono wielko powierzchni przsła naraonych na oddziaływanie wiatru boczna (16,8 m 2 ), czołowa (48 m 2 ), dobrano warto bezwymiarowego dowiadczalnego współczynnika oporu K=1,7 (z uwagi na konstrukcj pełnocienn przsła), a nastpnie wyliczono siły aerodynamicznego naporu wiatru ze wzoru (1): W = w A obl = A obl K v 2 / 16. (1) Obliczeniowe maksymalne siły aerodynamicznego naporu wiatru wyniosły odpowiednio: dla powierzchni bocznej przsła 1512 kg, dla powierzchni czołowej przsła 4320 kg. Rys. 3. Sprawdzenie metod zastpcz odporno ci na działanie wiatru bocznego na przsło w połoeniu pionowym 1 przsło w widoku od czoła, 2 pas transportowy, 3 lina stalowa, 4 zblocze, 5 balast, 6 blok stalowy Rys. 4. Sprawdzenie metod zastpcz odporno ci na działanie wiatru od czoła na przsło w połoeniu pionowym 1 przsło w widoku od boku, 2 pas transportowy, 3 lina stalowa, 4 zblocze, 5 balast, 6 blok stalowy

5 Badanie statecznoci mostów noycowych 133 Sprawdzenie statecznoci poprzecznej i wzdłunej mostu przeprowadzono na stanowisku badawczym OBRUM [5]. Badanie statecznoci poprzecznej polegało na zamocowaniu liny do przsła na wysokoci jego geometrycznego rodka powierzchni bocznej, tj. 6,5 m oraz obcieniu jej sił 1512 kg, symulujc działanie wiatru. Sprawdzenie statecznoci wzdłunej polegało na zamocowaniu liny do przsła na wysokoci jego geometrycznego rodka powierzchni czołowej, tj. 6,25 m i obcieniu jej sił 4320 kg. W trakcie próby symulowania działania wiatru bocznego (rys. 3) oraz czołowego (rys. 4) nie stwierdzono utraty statecznoci w postaci oderwania si podpory mostu od podłoa. W wyniku sprawdzenia stwierdzono, e most w najbardziej niekorzystnym połoeniu przsła jest odporny na działanie wiatru o prdkoci do 30 m/s Sprawdzenie stateczno ci wzdłunej mostu MG-20 podczas awaryjnego zatrzymania rozkładania przsła Celem sprawdzenia było okrelenie wartoci dodatkowego momentu wywracajcego, wynikajcego z bezwładnoci przsła podczas awaryjnego zatrzymania przsła w trakcie jego układania [8]. Odniesienie wyznaczonej wartoci do stawianych wymaga, mówicych o tym, aby powstałe w procesie układania i podejmowania przsła nadwyki dynamiczne nie były wiksze ni 10% maksymalnego momentu wywracajcego [10], pozwoliło na sprawdzenie, czy konstrukcja przsła i układu hydraulicznego spełnia wymogi bezpiecznej eksploatacji mostu. Na potrzeb okrelenia wartoci przyrostu momentu wywracajcego, wynikajcego z dynamiki i bezwładnoci układu, podczas układania przsła, dokonano próby jego awaryjnego zatrzymania w najbardziej krytycznym połoeniu (przsło awaryjnie zatrzymane na wysokoci 1 m nad ziemi rys. 7). W trakcie próby dokonano pomiarów tensometrycznych napre w wybranych punktach ramy układacza. W skład systemu pomiarowego wchodziły [8]: urzdzenie pomiarowe LMS z kart VB8E, współpracujce z czujnikami tensometrycznymi do pomiaru napre; laptop HP Elitebook 8740w wraz z oprogramowaniem LMS Test.Xpress 4B umoliwiajcym zarzdzanie pomierzonymi danymi wraz z ich wszechstronn analiz; tensometry elektrooporowe firmy TENMEX TFr-10(k). Schemat rozmieszczenia tensometrów na układaczu przedstawiono na rysunku 5, widok usytuowania tensometrów numer 2 i 5 na rysunku 6, natomiast moment przedstawiajcy awaryjne zatrzymanie przsła przedstawiono na rysunku 7. Wynikowe wykresy napre zarejestrowanych dla przeprowadzonej próby przedstawiono na rysunku 8. Rys. 5. Schemat rozmieszczenia tensometrów na układaczu Rys. 6. Widok rozmieszczenia tensometrów na układaczu

6 134 Zbigniew KAMYK, Wacław MALEJ, Cezary LIWISKI, Marcin DUSZAK, Janusz LIWISKI Rys. 7. Moment awaryjnego zatrzymania przsła na wysoko ci 1 m nad ziemi Rys. 8. Zarejestrowany wykres napre Przyrost momentu wywracajcego mostu MG-20 obliczono, na podstawie analizy zmian napre w elementach układacza MG-20, podczas awaryjnego zatrzymania przsła. Zapis wideo z bada umoliwił przyporzdkowanie zmierzonych wartoci napre w konstrukcji układacza poszczególnym etapom układania przsła. Nastpnie dla tych połoe przsła wyznaczono momenty wywracajce, wynikajce z usytuowania przsła wzgldem punktu wywrotu (stopy układacza). Wyniki zestawiono w tablicy 2. Pozwoliły one na wyznaczenie zalenoci momentu wywracajcego w funkcji napre układacza (rys. 9). Z wykresu napre przedstawionego na rysunku 8 wynika, i awaryjnemu zatrzymaniu przsła towarzyszyły dodatkowe obcienia dynamiczne przejawiajce si wystpowaniem jego drga i przyrostem napre w ramie układacza. Tablica 2. Zaleno napre w konstrukcji układacza od momentu wywracajcego Etap rozkładania przsła Czas, t Naprenia, MPa Moment wywracajcy, Tm * Odległo rodka cikoci od punktu wywrotu, m Przsło pod ktem 45 o nad pojazdem bazowym 20,00 18,00 +60,00 4,00 Przsło pionowo nad stop podporow 47,00 74,00-10,88-0,73 Rozwarcie przsła pod ktem 90 o 87,00 195,00-145,50-9,70 Przsło znajdujce si na wysokoci 1 m nad ziemi 121,00 255,00-185,25-12,35 Awaryjne zatrzymanie na wysokoci 1 m nad ziemi 121,00 283,00-203,32 ** -12,35 * Moment o znaku + symbolizuje moment stabilizujcy, a o znaku moment wywracajcy. ** Warto obliczona ze wzoru opisujcego krzyw zalenoci momentu wywracajcego od napre w układaczu (rys. 9) Przyporzdkowanie w tablicy 2 momentu wywracajcego zmierzonym napreniom, pozwoliło na wyznaczenie wykresu zalenoci momentu wywracajcego (zalenego od usytuowania przsła) w funkcji napre wystpujcych w konstrukcji układacza (rys. 9). Wyznaczon lini trendu, opisano równaniem (2), które pozwoliło na obliczenie momentu wywracajcego, wystpujcego podczas awaryjnego zatrzymania przsła na wysokoci 1 m nad ziemi, dla którego zmierzono warto napre równ 283 MPa. y = 0,00172 x 2 1,51826 x + 88,59044 (2)

7 Badanie statecznoci mostów noycowych 135 Warto wyliczonego momentu wywracajcego wyniosła 203,32 Tm. Rys. 9. Wykres zaleno ci momentu wywracajcego w funkcji napre układacza Analiza danych z tablicy 2 pozwala stwierdzi, i rónica pomidzy maksymalnym momentem wywracajcym, od przsła znajdujcego si na wysokoci 1 m nad ziemi, a momentem wystpujcym podczas awaryjnego zatrzymania, wynikajcym z bezwładnoci przsła, wynosi 18,07 Tm. Stanowi to 9,75% maksymalnego momentu wywracajcego. Oznacza to spełnienie wymagania, okrelonego w ramach Załoe Taktyczno-Technicznych [10], mówicego o tym, e Układ hydrauliczny powinien by tak skonstruowany, aby nadwyki dynamiczne, które mog si pojawi podczas ruchu przsła w procesie ustawiania i podejmowania przsła oraz w przypadku gwałtownego zatrzymania si (np. spowodowanego pkniciem przewodu) nie były wiksze ni 10% maksymalnego momentu wywracajcego. Spełnienie powyszego wymagania pozwala sdzi, i uzyskany przez most MG-20 zapas statecznoci jest wystarczajcy do zapewnienia bezpiecznej eksploatacji mostu. Mona stwierdzi, e odpowiedni rozkład mas przsła i układacza oraz konstrukcja układu hydraulicznego zapewniaj wymagan stateczno systemu zarówno statyczn, jak i dynamiczn. 4. WNIOSKI Mobilne mosty wojskowe, zarówno szturmowe, jak i wsparcia, stanowi istotny element systemu zapewnienia mobilnoci wojsk na polu walki oraz podczas misji pokojowych i likwidacji skutków katastrof i klsk ywiołowych. Aby mogły wypełnia bezpiecznie swoje zadania, powinny by odpowiednio zaprojektowane i przebadane w zakresie spełnienia poniszych warunków. 1. Mosty noycowe w czasie rozkładania powinny posiada odpowiedni stateczno poprzeczn i wzdłun, która umoliwia budow mostu w rónych warunkach terenowych, z uwzgldnieniem wszystkich czynników majcych niekorzystny wpływ na ich stateczno. 2. Układ hydrauliczny, bezporednio odpowiedzialny za realizacj zada zwizanych z układaniem i podejmowaniem przsła, powinien by tak zaprojektowany, aby na wypadek awarii nie powodowa zagroenia zdrowia obsługi, na skutek utraty statecznoci mostu. 3. W konstrukcjach mostów noycowych powinny by stosowane zautomatyzowane systemy sterowania procesami układania i podejmowania przsła, które umoliwi szybk i bezpieczn budow mostu.

8 136 Zbigniew KAMYK, Wacław MALEJ, Cezary LIWISKI, Marcin DUSZAK, Janusz LIWISKI 4. Znajomo przez operatora parametrów statecznoci mostu noycowego oraz dynamiki przsła w czasie budowy mostu, pozwala na szybkie zareagowanie w przypadku wystpienia awarii, a tym samym na zapewnienie bezpiecznej obsługi mostu. 5. LITERATURA [1] Szelka J., Kamyk Z.: Kompozytowe mosty wojskowe. Budownictwo i Architektura 12(2) (2013) s [2] Sushir D. J., Ulhe P.N.: Failure Analysis of Centre Pin Joint Used in Heavy Assault Bridge. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE) Volume 7, Issue 1, May- Jun 2013, pp [3] Łopatka M. J., Zelkowski J.: Wymagania stawiane współczesnym mostom wojskowym, Szybkobiene Pojazdy Gsienicowe, nr1/2009, s [4] Foremny S., Grabania M., Olek J.: Most towarzyszcy na podwoziu gsienicowym MG-20. IX Konferencja Naukowo Techniczna, Inynieria Wojskowa, problemy i perspektywy. WITI, Wrocław 2014 r., s [5] Kamyk Z., Malej W.: Badania mostów wojskowych na przykładzie bada kwalifikacyjnych mostu MS-20. Biuletyn Naukowo-Techniczny Szybkobiene Pojazdy Gsienicowe. (24) nr r. Orodek Badawczo-Rozwojowy Urzdze Mechanicznych OBRUM Gliwice s [6] Kraso W., Malachowski J.: Field test and numerical studies of the scissors-avlb type bridge. Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, Vol. 62, No. 1, 2014, pp [7] NO-01-A001:2011 Sprzt inynieryjny. Klasyfikacja i terminologia. [8] Sprawozdanie z bada kwalifikacyjnych mostu towarzyszcego na podwoziu gsienicowym MG-20. WITI, Wrocław, 2012 r. [9] Bartnicki A., Marecki P.: Badania wytrzymałociowe mostu MS-20 z uwzgldnieniem połcze spawanych. VI Midzynarodowa Konferencja Uzbrojeniowa, Waplewo s [10]Załoenia Taktyczno-Techniczne na most towarzyszcy na podwoziu gsienicowym. Warszawa DPZ MON, 2008 r. [11]PN-ISO 4302:1998 D wignice. Wyznaczenie obcienia wiatrem. TESTS OF SCISSORS-TYPE BRIDGE STABILITY Abstract. The paper presents functional classification of military bridges with respect to different phases of combat operations. Individual phases of positioning the bridge span over a gap are described, with particular attention paid to maintaining longitudinal and transverse stability. A method of determining the longitudinal stability margin and the additional overturning moment for the MG-20 bridge span is described. This moment results from the systems inertia in the case of bridge span emergency stop during bridge launching. A method of verifying the longitudinal and transverse stability of the MS-20 bridge span in vertical position under windy conditions is also described. The analyses have demonstrated proper stability of both the MS-20 and MG-20 bridge spans. Keywords: scissors-type bridge, longitudinal stability, transverse stability, stability margin.